CN111361659B - 一种轮腿式越障机构和越障机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及越障技术领域，特指一种轮腿式越障机构和越障机器人。一种轮腿式越障机构，包括有下部设置有车轮的底盘、上推杆、下推杆、减震器和摇臂；上推杆和下推杆水平设置在底盘上，上推杆的一端固定在底盘上，另一端与减震器的一端铰接；下推杆的一端固定在底盘上，另一端与摇臂的一端铰接；减震器的另一端与摇臂的中部铰接，摇臂的另一端与车轮连接。与现有技术相比，本发明极大提高了带车轮的底盘的垂直越障能力，对于高度大于车轮半径的垂直障碍也具有可靠的越障能力。同时，轮腿式越障机构依靠上推杆和下推杆的联动伸缩，实现了车轮抬升越障的效果。当轮腿不在越障时，相当于主动悬架，可以起到调节悬架刚度，调节车体高度的作用。
Description
技术领域
本发明涉及越障技术领域，特指一种轮腿式越障机构和越障机器人。
背景技术
随着移动机器人技术的发展，巡检机器人在诸如电力，安防等各个行业的应用越来越广泛。由于轮式底盘速度快、能量利用效率高、机构简单可靠、制造使用维护成本低，因此成为巡检机器人最常用的底盘构型。
随着机器人巡检技术的发展，需要机器人前往的地形也越来越复杂，其中最重要的是轮式底盘需要达到较高的标准，在越障的时候不会破坏底盘，而且有些垂直障碍的高度甚至超过了轮胎半径。传统构型的轮式机器人底盘在面对这种大高度垂直障碍时，仅依靠地面对车轮提供的附着力是难以逾越的。
现有技术中的轮腿式越障机构一般有两种，但两种都存在不足：
第一，现有技术中第一种轮腿式越障机构采用车轮撞击垂直障碍的方式越障。
首先，前车轮撞击垂直障碍，在车轮障碍的接触点上，依靠车轮圆弧与障碍的接触角度，将车轮所受的斜向冲击力分解为水平阻力和垂直抬升力，利用垂直抬升力提高车身重心，从而实现越障的效果。
但是这种越障方式只有在垂直障碍小于车轮半径时才有效，当垂直障碍高度大于车轮半径时，撞击的时候，车轮所受到的冲击力方向为水平方向，无法分解出垂直的抬升力，因此无法依靠撞击来越障。
其次，较大的撞击力也可能对底盘的驱动功率、底盘机构的强度提出更高的要求。
第二，现有技术中第二种轮腿式越障机构采用半人马机器人。
半人马机器人是一种高度复杂的轮腿式机器人机构，其腿部具有至少三个自由度，类似于波士顿动力的bigdog，在每个足部增加一个驱动轮的机构。
但是这种越障机构的机构较为复杂，其设计、制造和控制的难度均不亚于波士顿的bigdog，成本也较高。
可以，现有技术中亟需一种可以跨越垂直障碍的机器人，且该机器人具跨过高度大于车轮半径的垂直障碍能力。
发明内容
本发明的发明目的在于：为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种可以使车轮在跨越垂直障碍时可以依次主动抬起，并置于障碍顶部，进而使整个底盘越过障碍，大大提高了轮式巡检机器人底盘通过能力的轮腿式越障机构和越障机器人。
为了解决现有技术中所存在的问题，本发明采用以下技术方案：
一种轮腿式越障机构，包括有下部设置有车轮的底盘，还包括有上推杆、下推杆、减震器和摇臂；所述上推杆和所述下推杆水平设置在所述底盘上，所述上推杆的一端固定在所述底盘上，另一端与所述减震器的一端铰接；所述下推杆的一端固定在所述底盘上，另一端与所述摇臂的一端铰接；所述减震器的另一端与所述摇臂的中部铰接，所述摇臂的另一端与所述车轮连接。
作为本发明轮腿式越障机构的技术方案的一种改进，所述减震器包括有第一连杆、第二连杆和弹簧，所述弹簧分别连接所述第一连杆和所述第二连杆，且所述第一连杆连接所述上推杆，所述第二连杆连接所述摇臂的中部。
作为本发明轮腿式越障机构的技术方案的一种改进，所述轮腿式越障机构还包括有导杆和直线轴承，所述导杆设置在所述下推杆的一侧上，所述摇臂与所述下推杆连接的一端上，还连接有所述导杆的一端；所述直线轴承套设在所述导杆上，所述导杆和所述直线轴承形成滑动副。
作为本发明轮腿式越障机构的技术方案的一种改进，所述车轮内设置有电机。
一种越障机器人，包括有机器人本体，还包括上述的轮腿式越障机构，所述轮腿式越障机构设置在所述机器人本体的下部。
作为本发越障机器人的技术方案的一种改进，所述机器人本体的下部上设置有四个所述轮腿式越障机构，每两个所述轮腿式越障机构置于所述机器人本体下部的同侧上；同侧的两个轮腿式越障机构分别设置在所述机器人本体的前部和后部。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种轮腿式越障机构，与现有技术相比，轮腿式的越障机构极大提高了带车轮的底盘的垂直越障能力，对于高度大于车轮半径的垂直障碍也具有可靠的越障能力。同时，轮腿式越障机构依靠上推杆和下推杆的联动伸缩，实现了车轮抬升越障的效果。当轮腿不在越障时，相当于主动悬架，可以起到调节悬架刚度，调节车体高度的作用。
附图说明
图1为本发明轮腿式越障机构的结构示意图；
图2为本发明越障机器人的结构示意图；
图3为本发明越障机器人的第一种使用状态示意图；
图4为本发明越障机器人的第二种使用状态示意图；
图5为本发明越障机器人的第三种使用状态示意图；
图6为本发明越障机器人的第四种使用状态示意图；
图7为本发明越障机器人的第五种使用状态示意图。
附图标记说明：1-车轮；2-底盘；3-上推杆；4-下推杆；5-减震器；6-摇臂；7-导杆；8-直线轴承；9-机器人本体；10-障碍。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，一种轮腿式越障机构，包括有底盘2、上推杆3、下推杆4、减震器5和摇臂6，底盘2的下部上设置有车轮1。
上推杆3和下推杆4水平设置在底盘2上，上推杆3的一端固定在底盘2上，另一端与减震器5的一端铰接。下推杆4的一端固定在底盘2上，另一端与摇臂6的一端铰接，减震器5的另一端与摇臂6的中部铰接，摇臂6的另一端与车轮1连接。
上推杆3固定在底盘2上的一端为上推杆3固定端，上推杆3与减震器5铰接的一端为上推杆3铰接端，减震器5与上推杆3连接的一端为减震器5上端，减震器5与摇臂6中部连接的一端为减震器5下端，下推杆4固定在底盘2上的一端为下推杆4固定端，下推杆4与摇臂6铰接的一端为下推杆4铰接端，摇臂6与下推杆4铰接的一端为摇臂6铰接端，摇臂6与车轮1连接的一端为摇臂6固定端。
作为本发明的一个实施例，当轮腿式越障机构向右前进遇到障碍10，且障碍10的高度大于车轮1的半径时，车轮1受到向左的阻力阻止车轮1前进。当轮腿式越障机构开始越障时，由于车轮1受到阻力，阻力分解为两个分力，两个分力的方向分别与减震器5和摇臂6的方向相同。由于摇臂6固定端与车轮1固接，且减震器5下端与摇臂6中部铰接，车轮1在减震器5方向上的力，使减震器5下端向上抬升，继而带动摇臂6抬升，不仅实现了抬升车轮1的效果，还通过铰接降低了底盘2的受损几率。更由于各部件之间的活动连接方式均采为铰接，在抬升车轮1的时候，可以减少部件之间的磨损，保证了本发明的使用寿命。
减震器5包括有第一连杆、第二连杆和弹簧，弹簧分别连接第一连杆和第二连杆，且第一连杆连接上推杆3，第二连杆连接摇臂6的中部。减震器5分别通过第一连杆和第二连杆连接上推杆3和摇臂6的中部，且第一连杆和第二连杆之间连接有弹簧，通过弹簧的变形实现减震的效果以及当车轮1在抬升的时候，可以通过弹簧的变形获得车轮1抬升的位置。
轮腿式越障机构还包括有导杆7和直线轴承8，导杆7设置在下推杆4的一侧上，摇臂6铰接端上还连接有导杆7的一端，导杆7上套设有直线轴承8，导杆7和直线轴承8组成滑动副，用于保持车轮1的前进。
车轮1内设置有电机，上推杆3和下推杆4形成电机驱动的螺母螺杆机构，由电机驱动可以在一定程度内伸缩，并在电机断电时具有自锁能力。优选的，上推杆3和下推杆4可以是电动推杆，也可以是气缸、液压缸、线性滑台等直线执行机构。
如图2所示，本发明还提供了一种越障机器人，包括有机器人本体9，还包括有上述的轮腿式越障机构，轮腿式越障机构设置在机器人本体9的下部，通过轮腿式越障机构实现越障机器人的越障的效果。作为本发明的一种实施方式，机器人本体9可作为底盘2，在机器人本体9的下部设置有轮腿式越障机构。
机器人本体9的下部上设置有四个轮腿式越障机构，每两个轮腿式越障机构置于机器人本体9下部的同侧上；同侧的两个轮腿式越障机构分别设置在机器人本体9的前部和后部。由于底盘2的左右两侧上均设置有轮腿机构，在越障的时候，可以使两轮腿机构先后抬升，实现了越障机构的越障效果。
详细地说，当需要越障前，如图3所示，轮腿机构就像普通的拖拽独立悬架一样工作。在越障的时候，首先使车轮1靠近垂直障碍10，然后控制上推杆3和下推杆4联动执行以下步骤：第一步，如图4所示，将一侧车轮1抬升，使车轮1抬升的高度超过垂直障碍10的高度；第二步，如图5所示，驱动轮腿式越障机构往前，即继续向车轮1施加使其前进的力，将抬升起来的车轮1平移并压在垂直障碍10的顶部，实现了一侧车轮1越障完毕的效果；第三步，如图6所示，将另一侧车轮1抬升，使另一侧车轮1抬升的高度超过垂直障碍10的高度；第四步，如图7所示，继续驱动轮腿式越障机构，将抬升起来的另一侧车轮1平移并压在垂直障碍10的顶部，实现另一侧车轮1越障完毕的效果。
基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种轮腿式越障机构，包括有下部设置有车轮的底盘，其特征在于，还包括有上推杆、下推杆、减震器和摇臂；
所述上推杆和所述下推杆水平设置在所述底盘上，所述上推杆的一端固定在所述底盘上，另一端与所述减震器的一端铰接；
所述下推杆的一端固定在所述底盘上，另一端与所述摇臂的一端铰接；
所述减震器的另一端与所述摇臂的中部铰接，所述摇臂的另一端与所述车轮连接；
当所述轮腿式越障机构遇到障碍，且所述障碍的高度大于所述车轮的半径时，所述减震器的下端向上抬升，依次带动所述摇臂和所述车轮抬升。
2.根据权利要求1所述的轮腿式越障机构，其特征在于，所述减震器包括有第一连杆、第二连杆和弹簧，所述弹簧分别连接所述第一连杆和所述第二连杆，且所述第一连杆连接所述上推杆，所述第二连杆连接所述摇臂的中部。
3.根据权利要求2所述的轮腿式越障机构，其特征在于，所述轮腿式越障机构还包括有导杆和直线轴承，所述导杆设置在所述下推杆的一侧上，所述摇臂与所述下推杆连接的一端上，还连接有所述导杆的一端；所述直线轴承套设在所述导杆上，所述导杆和所述直线轴承形成滑动副。
4.根据权利要求3所述的轮腿式越障机构，其特征在于，所述车轮内设置有电机。
5.一种越障机器人，包括有机器人本体，其特征在于，还包括有如权利要求1-4任意一项所述的轮腿式越障机构，所述轮腿式越障机构设置在所述机器人本体的下部。
6.根据权利要求5所述的越障机器人，其特征在于，所述机器人本体的下部上设置有四个所述轮腿式越障机构，每两个所述轮腿式越障机构置于所述机器人本体下部的同侧上；同侧的两个轮腿式越障机构分别设置在所述机器人本体的前部和后部。
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